CN110875208B - 工艺腔室用控温装置及方法、工艺腔室 - Google Patents

工艺腔室用控温装置及方法、工艺腔室 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种工艺腔室用控温装置、控温方法和工艺腔室。包括第一测温单元，用于测量测温窗的当前温度；第二测温单元，用于测量硅片的当前温度；第一温度控制单元，用于将测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，当两者不一致时，调整测温窗的当前温度，以使得两者一致。能够有效避免因测温窗温度过低出现的反应气体在测温窗内凝结的现象以及因温度过高出现的反应气体在测温窗内发生化学沉积的现象，提高测量硅片的温度的准确性。

Description

工艺腔室用控温装置及方法、工艺腔室
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体涉及一种工艺腔室用控温装置、一种工艺腔室控温方法和一种工艺腔室。
背景技术
硅外延工艺过程涵盖了升温、稳温和降温多个控温阶段，外延生长的每个阶段对温度变化都极为敏感。故工艺过程中温度的精确性直接影响到外延片的生长质量，温度与设定值差异过大会导致外延片的厚度和电阻率偏离目标值，并可能引发位错、滑移线，表面雾、颗粒等表观缺陷。
由于硅外延过程的反应气体具有高温、强腐蚀的特点，故无法用常规的热电偶直接在腔室中测量基座(以及放在基座上的硅片)的温度。相关技术中，利用安装在腔室外部的红外测温计测量硅片的温度，由于红外测温计安装在腔室的外部，需要透过一层透明的测温窗来接收硅片发射的红外辐射。
但是，在实际生产中，由于硅源不可避免的会在测温窗的内侧发生化学反应，使测温窗内表面附着一层硅及其副产物而吸收掉一部分硅片发射的红外光谱，从而导致红外测温计测得的温度比硅片的实际温度要低，故加热系统要加大功率，这样容易导致废片的情况发生，降低硅片的生产制作良率。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种工艺腔室用控温装置、一种工艺腔室控温方法以及一种工艺腔室。
为了实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种工艺腔室用控温装置，包括：
第一测温单元，用于实时测量工艺腔室的测温窗的当前温度；
第一温度控制单元，用于将所述测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整所述测温窗的当前温度，以使得调整后的所述测温窗的当前温度与所述测温窗目标温度一致。
可选地，所述第一温度控制单元包括：变频风机、第一风冷管道和第一控制模块；
所述变频风机的控制端子与所述第一控制模块电连接；
所述第一风冷管道的进风口对应于所述变频风机，所述第一风冷管道的出风口对应于所述测温窗；
所述第一控制模块，用于将所述测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整所述变频风机的风速。
可选地，所述第一风冷管道包括竖直部以及自所述竖直部的末端倾斜延伸的倾斜部，所述竖直部的进风口对应于所述变频风机，所述倾斜部的出风口对应于所述测温窗。
可选地，所述倾斜部的长度范围为2cm～8cm，所述倾斜部与水平面的夹角范围为20°～40°。
可选地，所述控温装置还包括第二测温单元和第二温度控制单元，其中，
所述第二测温单元，用于实时测量工艺腔室内的硅片的当前温度；
所述第二温度控制单元包括加热线圈以及与所述加热线圈电连接的第二控制模块；所述加热线圈，用于对所述硅片进行加热；所述第二控制模块，用于将所述硅片的当前温度与预设的硅片目标温度进行比较，并当两者不一致时，调节所述加热线圈的加热功率。
可选地，所述第一测温单元和所述第二测温单元均为红外测温计，且所述第一测温单元的接收波长大于所述第二测温单元的接收波长。
本发明的第二方面，提供了一种工艺腔室控温方法，包括下述步骤：
步骤S110、实时测量工艺腔室的测温窗的当前温度；
步骤S120、将所述测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整所述测温窗的当前温度，以使得调整后的所述测温窗的当前温度与所述测温窗目标温度一致。
可选地，所述步骤S120具体包括：
计算所述测温窗的当前温度与所述测温窗目标温度的差值；
基于所述差值和所述变频风机风速的预设关系式，根据所述差值获得所述变频风机的风速；
控制所述变频风机按照所述风速运转，以调整向所述测温窗的供风量，使得调整后的所述测温窗的当前温度与所述测温窗目标温度一致。
可选地，步骤S110还包括：
实时测量所述工艺腔室内的硅片的当前温度；
步骤S120还包括：
将所述硅片的当前温度与预设的硅片目标温度进行比较，并当两者不一致时，调节所述加热线圈的加热功率。
本发明的第三方面，提供了一种工艺腔室，所述工艺腔室包括腔室本体、设置在所述腔室本体上方且透明的测温窗以及控温装置，所述控温装置为前文记载的所述的工艺腔室用控温装置，所述第一测温单元与所述测温窗相对设置。
本发明的控温装置、控温方法和工艺腔室。利用所设置的第一测温单元测量工艺腔室的测温窗的当前温度，第一温度控制单元将测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，两者不一致时，调整测温窗的当前温度，以使得调整后的测温窗的当前温度与测温窗目标温度一致。因此，能够将测温窗的温度稳定在预设的测温窗目标温度范围内，这样，能够有效避免因测温窗温度过低出现的反应气体在测温窗内凝结的现象以及因温度过高出现的反应气体在测温窗内发生化学沉积的现象，进而能够提高第二测温单元所测量得到的硅片的温度的准确性，提高硅片的制作良率，避免硅片出现废片，降低硅片的制作成本。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明第一实施例中工艺腔室的结构示意图；
图2为本发明第二实施例中工艺腔室控温方法的流程图。
附图标记说明
100：控温装置；
110：第一测温单元；
120：第二测温单元；
130：第一温度控制单元；
131：变频风机；
132：第一风冷管道；
132a：竖直部；
132b：倾斜部；
140：加热线圈；
150：水冷管道；
160：第二风冷管道；
200：工艺腔室；
210：测温窗；
220：腔室本体；
230：基座；
300：硅片。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
如图1所示，本发明的第一方面，涉及一种工艺腔室用控温装置100，该控温装置100可以包括第一测温单元110、第二测温单元120、第一温度控制单元130和第二温度控制单元。
其中，第一测温单元110，用于实时测量工艺腔室200的测温窗210的当前温度。第二测温单元120，用于实时测量工艺腔室200内的硅片300的当前温度。
上述第一温度控制单元130，用于将测温窗210的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整测温窗210的当前温度，以使得调整后的测温窗210的当前温度与测温窗目标温度一致。
上述第二温度控制单元，用于将硅片300的当前温度与预设的硅片目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整下述的加热线圈140的加热功率，从而改变硅片300的当前温度。
本实施例结构的控温装置100，利用所设置的第一测温单元110测量工艺腔室200的测温窗210的当前温度，第一温度控制单元130将测温窗210的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，两者不一致时，调整测温窗210的当前温度，以使得调整后的测温窗210的当前温度与测温窗目标温度一致。这样，在利用所设置的第二测温单元120实时测量工艺腔室200内的硅片300的当前温度时，可以提高第二测温单元120测量硅片300的当前温度的准确性，排除测温窗210对第二测温单元120的干扰。本实施例中的控温装置100，能够将测温窗210的温度稳定在预设的测温窗目标温度范围内，这样，能够有效避免因测温窗210温度过低出现的反应气体在测温窗210内凝结的现象以及因温度过高出现的反应气体在测温窗210内发生化学沉积的现象，进而能够提高第二测温单元120所测量得到的硅片300的温度的准确性，提高硅片300的制作良率，避免硅片300出现废片，降低硅片300的制作成本。
需要说明的是，对于第一测温单元110和第二测温单元120的具体结构并没有作出限定，例如，该第一测温单元110和第二测温单元120均可以为红外测温计，当然，除此以外，还可以是其他能够感知温度变化的器件。
进一步需要说明的是，对于第一温度控制单元130和第二温度控制单元的具体结构也并没有作出限定，其只要能够在检测到温度与预设的目标温度不一致时，能够调整对应的当前温度，从而使得调整后的温度与预设的目标温度一致即可。
如图1所示，第一测温单元110和第二测温单元120均为红外测温计，且第一测温单元110的接收波长大于第二测温单元120的接收波长。例如，第一测温单元110的接收波长的范围可以为8μm～14μm，第二测温单元120的接收波长可以小于3.43μm。当然，除此以外，还可以根据实际需要，确定所需要的第一测温单元110和第二测温单元120的接收波长。
具体地，红外测温计的工作原理：一切温度高于绝对零度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，物体的红外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度。
此外，将第一测温单元110的接收长限定为大于第二测温单元120的接收波长，可以有效提高第一测温单元110所测量得到的测温窗210的温度的准确性。这是因为，硅片300所发出的介于8μm～14μm的红外几乎都无法穿透测温窗210，故第一测温单元110可以准确地测量得到测温窗210本身的温度，而不会测量得到硅片300所发出的红外的温度。
如图1所示，第一温度控制单元130包括：变频风机131、第一风冷管道132和第一控制模块(图中并未示出)。变频风机131为变频器和风机的组合体。变频风机131的控制端子与第一控制模块电连接。第一风冷管道132的进风口对应于变频风机131，以接收变频风机131的风量，第一风冷管道132的出风口对应于测温窗210，以将变频风机131的风量传送至测温窗210，从而可以调整测温窗210的当前温度。第一控制模块，用于将测温窗210的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整变频风机131的风速。
本实施例结构的控温装置100，其第一温度控制单元130采用变频风机131、第一风冷管道132以及第一控制模块的结构，可以使得第一温度控制单元130的结构简单，降低控温装置100的制作成本。同时，通过合理控制变频风机131的风速，来调整测温窗210的当前温度，这样，可以快速地使得测温窗210的当前温度与测温窗目标温度一致，节约时间，提高经济效益。
如图1所示，第一风冷管道132包括竖直部132a以及自竖直部132a的末端倾斜延伸的倾斜部132b(如图1中所示，倾斜部132b朝向测温窗210倾斜延伸)。其中，竖直部132a的进风口对应于变频风机131，倾斜部132b的出风口对应于测温窗210。
具体地，倾斜部132b的长度范围可以为2cm～8cm，倾斜部132b与水平面的夹角范围可以为20°～40°。并且，在实际应用时，可以通过调节倾斜部132b的出风口的高度，使得风从其出风口出来可正好吹到测温窗210的最左侧，这样，可以使得测温窗210的温度一直稳定在预设的测温窗目标温度。
如图1所示，第二温度控制单元包括加热线圈140以及与加热线圈140电连接的第二控制模块(图中并未示出)，该加热线圈140可以用于加热放置在工艺腔室200内的硅片300。该第二控制模块，用于将硅片300的当前温度与预设的硅片目标温度进行比较，并当两者不一致时，调节加热线圈140的加热功率。
此外，为了保证工艺腔室200不致于过热，如图1所示，控温装置100还可以包括位于工艺腔室200外部的水冷管道150和第二风冷管道160。这样，分别向水冷管道150内提供冷却水以及向第二风冷管道160内提供冷却气体，从而可以对工艺腔室200进行降温，进而可以避免工艺腔室200温度过热的现象发生。当然，也可以仅仅包括水冷管道150，或者仅仅包括第二风冷管道260。
本实施例中的控温装置100，可以有效调节硅片300的温度，避免硅片300出现废片的现象，提高硅片300的制作良率。
此外，需要说明的是，为了节省控温装置100所占据的空间，以使得控温装置100的结构更加紧凑，可以将上述的第一风冷管道132、水冷管道150和第二风冷管道160均绑定在一起。
本发明的第二方面，如图2所示，提供了一种工艺腔室控温方法S100，包括下述步骤：
S110、实时测量工艺腔室的测温窗的当前温度。
S120、将测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整测温窗的当前温度，以使得调整后的测温窗的当前温度与测温窗目标温度一致。
此外，步骤S110还可以包括：实时测量工艺腔室内的硅片的当前温度，相应地，步骤S120还可以包括：将硅片的当前温度与预设的硅片目标温度进行比较，并当两者不一致时，调节加热线圈的加热功率。
需要说明的是，本实施例中的控温方法S100可以采用前文记载的控温装置100来实现，具体可以参考前文相关记载，在此不作赘述。
本实施例结构的控温方法S100，通过实时测量工艺腔室的测温窗的当前温度，将测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，两者不一致时，调整测温窗的当前温度，以使得调整后的测温窗的当前温度与测温窗目标温度一致。这样，在实时测量硅片的当前温度时，可以提高硅片测量温度的准确性。本实施例中的控温方法S100，能够将测温窗的温度稳定在预设的测温窗目标温度范围内，这样，能够有效避免因测温窗温度过低出现的反应气体在测温窗内凝结的现象以及因温度过高出现的反应气体在测温窗内发生化学沉积的现象，进而能够提高第二测温单元所测量得到的硅片的温度的准确性，提高硅片的制作良率，避免硅片出现废片，降低硅片的制作成本。
可选地，步骤S120具体包括：
计算测温窗的当前温度与测温窗目标温度的差值；
基于所述差值和所述变频风机风速的预设关系式，根据所述差值获得所述变频风机的风速；
控制所述变频风机按照所述风速运转，以调整向测温窗的供风量，使得调整后的测温窗的当前温度与测温窗目标温度一致。
具体地，上述预设关系式如下：
S＝100-(P*ei+IsIntegral*I*∑i＝0ei+D*(ei-ei-1)) (1)
其中，S为变频风机的风速，P为PID参数中的比例参数，I为PID参数中的积分参数，D为PID参数中的微分参数，IsIntegral为是否进行积分，ei为测温窗的当前温度与测温窗的目标温度的差值。
本发明的第三方面，如图1所示，提供了一种工艺腔室200，该工艺腔室200包括腔室本体220、与腔室本体220连接的测温窗210、放置在腔室本体220内的基座230以及控温装置100。基座230上放置有待加热的硅片300，控温装置100为前文记载的控温装置100，第一测温单元110和第二测温单元120均与测温窗210相对设置。
本实施例结构的工艺腔室200，具有前文记载的控温装置100，能够将测温窗210的温度稳定在预设的测温窗目标温度范围内，这样，能够有效避免因测温窗210温度过低出现的反应气体在测温窗210内凝结的现象以及因温度过高出现的反应气体在测温窗210内发生化学沉积的现象，进而能够提高第二测温单元120所测量得到的硅片300的温度的准确性，提高硅片300的制作良率，避免硅片300出现废片，降低硅片300的制作成本。
可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种工艺腔室用控温装置，其特征在于，包括：
第一测温单元，用于实时测量工艺腔室的测温窗的当前温度；
第二测温单元，用于实时测量工艺腔室内的硅片的当前温度；所述第一测温单元和所述第二测温单元均为红外测温计，且所述第一测温单元的接收波长大于所述第二测温单元的接收波长；
第一温度控制单元，用于将所述测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整所述测温窗的当前温度，以使得调整后的所述测温窗的当前温度与所述测温窗目标温度一致，将所述测温窗的温度稳定在预设的测温窗目标温度范围内，以避免因所述测温窗温度过低出现的反应气体在所述测温窗内凝结的现象以及因温度过高出现的反应气体在所述测温窗内发生化学沉积的现象。
2.根据权利要求1所述的工艺腔室用控温装置，其特征在于，所述第一温度控制单元包括：变频风机、第一风冷管道和第一控制模块；
所述变频风机的控制端子与所述第一控制模块电连接；
所述第一风冷管道的进风口对应于所述变频风机，所述第一风冷管道的出风口对应于所述测温窗；
所述第一控制模块，用于将所述测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整所述变频风机的风速。
3.根据权利要求2所述的工艺腔室用控温装置，其特征在于，所述第一风冷管道包括竖直部以及自所述竖直部的末端倾斜延伸的倾斜部，所述竖直部的进风口对应于所述变频风机，所述倾斜部的出风口对应于所述测温窗。
4.根据权利要求3所述的工艺腔室用控温装置，其特征在于，所述倾斜部的长度范围为2cm～8cm，所述倾斜部与水平面的夹角范围为20°～40°。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的工艺腔室用控温装置，其特征在于，所述控温装置还包括第二温度控制单元，所述第二温度控制单元包括加热线圈以及与所述加热线圈电连接的第二控制模块；所述加热线圈，用于对所述硅片进行加热；所述第二控制模块，用于将所述硅片的当前温度与预设的硅片目标温度进行比较，并当两者不一致时，调节所述加热线圈的加热功率。
6.一种工艺腔室用控温方法，其特征在于，应用于权利要求1-5任意一项所述的工艺腔室用控温装置，所述方法包括下述步骤：
步骤S110、实时测量工艺腔室的测温窗的当前温度；实时测量所述工艺腔室内的硅片的当前温度；
步骤S120、将所述测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整所述测温窗的当前温度，以使得调整后的所述测温窗的当前温度与所述测温窗目标温度一致，将所述测温窗的温度稳定在预设的测温窗目标温度范围内。
7.根据权利要求6所述的工艺腔室用控温方法，其特征在于，所述第一温度控制单元包括：变频风机、第一风冷管道和第一控制模块；所述变频风机的控制端子与所述第一控制模块电连接；所述第一风冷管道的进风口对应于所述变频风机，所述第一风冷管道的出风口对应于所述测温窗；所述第一控制模块，用于将所述测温窗的当前温度与预设的测温窗目标温度进行比较，并当两者不一致时，调整所述变频风机的风速；
所述步骤S120具体包括：
计算所述测温窗的当前温度与所述测温窗目标温度的差值；
基于所述差值和所述变频风机风速的预设关系式，根据所述差值获得所述变频风机的风速；
控制所述变频风机按照所述风速运转，以调整向所述测温窗的供风量，使得调整后的所述测温窗的当前温度与所述测温窗目标温度一致。
8.根据权利要求6或7所述的工艺腔室用控温方法，其特征在于，所述控温装置还包括第二温度控制单元，所述第二温度控制单元包括加热线圈以及与所述加热线圈电连接的第二控制模块；所述加热线圈，用于对所述硅片进行加热；所述第二控制模块，用于将所述硅片的当前温度与预设的硅片目标温度进行比较，并当两者不一致时，调节所述加热线圈的加热功率；
所述步骤S120还包括：
将所述硅片的当前温度与预设的硅片目标温度进行比较，并当两者不一致时，调节所述加热线圈的加热功率。
9.一种工艺腔室，包括腔室本体、设置在所述腔室本体上方且透明的测温窗以及控温装置，其特征在于，所述控温装置为权利要求1至5中任意一项所述的工艺腔室用控温装置，所述第一测温单元与所述测温窗相对设置。
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